CN105576361A - 一种采用网格型EBG结构的60GHz视觉透明天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型网格EBG结构的60GHz视觉透明贴片天线，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明提出在视觉透明贴片天线的辐射主体周围加载新型网格EBG结构，可以有效提高天线增益及带宽，并且不会改变天线的物理尺寸。原天线-10db的带宽为51.2～69.4GHz，加载网格型EBG的天线-10db的带宽为46-72.5GHz，有8.3GHz的带宽展宽。原天线60GHz增益为5.44dBi，加载EBG后天线在60GHz处的增益增加到了5.79dBi。

Description

一种采用网格型EBG结构的60GHz视觉透明天线

技术领域

本发明提供一种在视觉透明天线上加载网格型的EBG结构，并通过调节网格EBG的线条宽度及间距，从而提出一种具有宽带宽、高增益性能的视觉透明贴片天线，属于电磁传播与接收的技术领域。

背景技术

1.60GHz毫米波天线技术

a.60GHz毫米波通信研究存在的必要性和必然性

当前无线通信频谱资源越来越紧张以及数据传输速率越来越高的必然趋势下,60GHz频段无线短距通信技术也越来越受到关注,成为未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。60GHz毫米波无线通信技术无需使用复杂技术就可以在较低的信噪比条件下达到吉比特的传输速率，性能是其他无线传输技术的数十倍。60GHz无线信号的方向性很强，使得几个不同方向的60GHz通信信号之间的互干扰非常小，通信系统之间的干扰也很小，可以忽略不计。近年来，各国政府都在60GHz频率附近划分了连续的免执照即可使用的频谱资源。美国将免许可的频率范围划分为7GHz(57GHz-64GHz)，日本也将其划分为7GHz(59.4GHz-62.9GHz)，而欧洲更是高达9GHz(57GHz-66GHz)。相比而言，超宽带技术的有效带宽为1.5GHz，802.11n技术的有效带宽约为660MHz，都要远远小于60GHz毫米波无线通信技术能使用的带宽。总而言之，和较低频段相比，毫米波可用的频谱更宽，传输速率更高，信息容量大，抗干扰性好，元器件尺寸小。并且，60GHz频谱资源完全免费，消费者不用负担昂贵的频谱资源允许费用。因此60GHz无线通信炙手可热，成为近距离无线通信领域的研究热点，吸引了众多公司和研发团体投入到60GHz的研究。

b.60GHz毫米波天线技术

毫米波传输虽然有以上提到的诸多优势，其本身也有两个显著的缺点：大气吸收损耗非常严重，在60GHz频段氧气吸收高达16db/km；路径损耗非常大，在自由空间条件下比2GHz频段路径损耗传输高出了30dB。为了克服以上两个缺点，可以使系统在60GHz传输功率很高并使用高增益的天线。在60GHz标准组织中最值得关注的IEEE的TG3c小组在2004年举办了六次会议，42家公司和研究机构提交了47份提案，提案主要内容包括：毫米波天线，半导体器件，调制方案和信道编码等。其中要求，毫米波天线必须能够提供高增益和高效率。因此，天线技术成为60GHz毫米波无线通信系统的关键技术之一。

c.视觉透明天线技术的研究现状

视觉透明天线由于其透明和美观的特点，可以用在建筑物窗口、光学平板、移动设备显示器、车辆或者车辆的挡风玻璃等位置。自1997年起，国内外在视觉透明天线方面取得了一系列研究成果：(1)在透明板材上采用AgHT-8光学透明介质覆层，在2.3GHz和19.5GHz达到与铜覆层几乎相同的效果(文献1，X.Bao,Y.Guo,andY.Xiong,“60-GHzAMC-basedcircularlypolarizedon-chipantennausingstandard0.18-μmCMOSTechnology,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(5),2234–2241)；(2)对五种不同材质覆层的光学透明天线性能进行了比较，金和银覆层的透明天线具有较好的性能(文献2，H.Sun,Y.Guo,andZ.Wang,“60-GHzcircularlypolarizedU-slotpatchantennaarrayonLTCC,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,61(1),430–435.)；(3)提出了应用于甚高频波段天线的ITO/Cu/ITO多层技术，作为天线射频特性和透明度之间的折衷选择；(4)提出了采用Ag/Ti网格双层覆层的视觉透明天线；(5)提出应用于毫米波的视觉透明天线。

2.EBG结构在天线中的应用及研究现状

a.EBG结构的两种特性

EBG结构有蘑菇型和共面紧凑型(文献9，D.Sievenpiper,L.Zhang,R.F.J.Broas,N.G.Alexopolus,andE.Yablonovitch,“Highimpedanceelectromagneticsurfaceswithaforbiddenfrequencyband,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,1999,47(11),2059–2074。文献10，F.-R.Yang,K.-P.Ma,Y.Qian,andT.Itoh,“Auniplanarcompactphotonic-bandgap(UC-PBG)structureanditsapplicationsformicrowavecircuits,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,1999,47(8),1509–1514)。其中，共面紧凑型EBG结构由于其制作简单的原因，被广泛研究和采用。经研究发现，周期性的金属结构可以呈现高阻抗表面或频率选择性表面的特性，经常被称为人工磁导体(AMC，artificialmag-neticconductor)或者电磁带隙结构(EBG，electromagneticband-gap)。EBG结构的两个特性：表面波带隙特性和平面波反射相位特性。表面波带隙特性是指EBG结构对特定频率的表面波具有高阻抗特性，几乎不允许通过。平面波反射相位特性是指EBG结构对垂直入射方向-90°～+90°入射波具有同相增强的作用。

本发明利用了网格型UC-EBG结构的反射相位特性，在保持尺寸和剖面不变的条件下极大提高了视觉透明天线的增益性能。

b.EBG结构在天线设计中的应用及研究现状

EBG结构在过去十年都是天线性能改进研究中的热点：(1)将电磁带隙结构加载到LTCC的上三层结构以改善天线的方向性能。(21)(2)将EBG结构加载到反射板上，可与金属底面形成谐振腔，从而提升天线增益性能。(22)(3)将EBG结构加载到天线下方，获得超宽带同向反射带隙，并且隔绝导电表面对天线的干扰，避免阻抗失配，明显提升天线增益(23，24)。(4)将EBG结构加载到阵列天线周围，可有效减少天线单元间的互耦(文献14，M.Coulombe,S.FarzanehKoodiani,andC.Caloz,“Compactelongatedmushroom(EM)-EBGstructureforenhancementofpatchantennaarrayperformances,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2010,58(4),1076–1086)；(5)利用EBG结构的带隙特性，将其加载到天线基层中，可设计出特定频段的陷波天线。(文献15，L.PengandC.Ruan,“UWBband-notchedmonopoleantennadesignusingelectromagnetic-bandgapstructures,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,2011,59(4),1074-1081)。

本发明主要涉及将网格型EBG结构与毫米波视觉透明天线结合，设计出了一种基于网格型电磁带隙结构的60GHz高增益宽带视觉透明天线。在没有改变天线尺寸和剖面结构的情况下极大地拓宽了天线的增益，同时也拓宽了天线带宽。

发明内容

毫米波天线系统在向着宽带化、高增益、高频化的趋势，本发明的目的在于设计一种基于网格型UC-EBG结构的60GHz宽带高增益天线，能够覆盖46-72.5GHz的范围，增益6.53dB。

本发明设计的毫米波宽带高增益视觉透明天线选用相对介电常数3.8、0.2mm厚的Corning7980透明板材作为介质基板，辐射主体、馈电结构、接地面均采用铜覆层，电磁帯隙结构采用设计的网格型UC-EBG结构(如图1(b))，通过调节网格型UC-EBG结构的线条宽度及间距，使其在60GHz频段有优秀的反射相位性能，采用的EBG结构的具体参数为：l＝1.6mm,a＝1.2mm,m＝0.48mm,n＝0.04mm,w＝0.02mm，q₁＝0.2mm，q₂＝0.15mm；然后将所设计的网格型UC-EBG结构应用到天线结构这一层的周围，采用高频模型仿真(HighFrequencyStructureSimulator,HFSS)软件对天线结构和EBG结构进行建模仿真，通过调节EBG单元个数和天线距离，得到高增益宽带的性能，如图2(b)所示。

与传统方法相比本发明有如下优点：

1.本发明设计的基于网格型电磁带隙结构的宽带高增益视觉透明天线，Corning7980的介质基底厚度仅为0.2mm(0.04倍波长)，仅为波长的0.04倍，剖面低，总体尺寸小，使用方便。

2.本发明提出了在透明天线周围加载网格型EBG结构，这种设计方法可以保证在不对天线透明度造成太大影响的前提下极大提升天线的增益性能，为提高透明天线的增益提供了指导；

3.本发明提出了用网格型EBG结构代替普通的UC-EBG结构加载到透明天线上，来实现和普通EBG相同的抑制表面波和同向反射的功能，为以后的EBG设计拓宽了设计思路；

4.本发明中网格型UC-EBG结构反射相位性能优秀，只需加载一圈即可实现高宽带高增益的性能，比起现有的EBG结构所需单元数少，集成便利。

本发明的原理如下：

1、网格型的EBG结构可以等效为LC谐振电路，如图1所示，其等效表面阻抗可以用以下公式计算：

$Z=\frac{j\mathrm{\ω}L}{1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC}---\left(1\right)$

频率低于LC电路谐振频率时，EBG呈电感性，可传播TM波；频率高于谐振频率时，EBG呈电容性，可传播TE波。而一般干扰天线性能的表面波为TM波，可通过合理设计EBG中电感和电容的等效值来得到想要抑制的带隙。

帯隙中心频率和带宽为：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{LC}}---\left(2\right)$

$BW=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{1}{\mathrm{\η}}\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(3\right)$

其中，η＝120π，为自由空间阻抗。

在网格型EBG结构中有

$L_s\≈\frac{17L_0}{6}---\left(4\right)$

其中

$L_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0-l_i}{2\mathrm{\π}}\[log\frac{2l_i}{\mathrm{\ω}}+\frac{1}{2}\]---\left(5\right)$

在上式中，l_i＝0.2mm,w＝0.01mm。

2、网格型EBG结构提高天线增益的原理。在非谐振频率上，EBG结构的表面波抑制带隙抑制了一定范围内的表面波能量损耗，使更多的能量能用来进行信号传输，改善方向性能，从而提升天线定向增益。在谐振频率，EBG结构本身就可以作为发射体参与能量辐射，从而提高天线的增益性能。

3、网格型EBG结构拓宽天线带宽的原理。EBG结构本身可以等效为LC振荡电路，有自己的频率谐振点，与天线结合后，可与天线本身的谐振点形成互耦，展宽天线带宽。

附图说明

图1是网格型EBG结构和普通EBG结构原型的示意图。EBG结构的具体尺寸为：l＝1.6mm,a＝1.2mm,m＝0.48mm,n＝0.04mm,w＝0.02mm，q₁＝0.2mm，q₂＝0.15mm。

图2是利用HFSS软件仿真普通EBG结构和网格型EBG结构反射相位特性的结果对比图。两种结构的中心频率均为60GHz，定义-90°～+90°之间的频段为同相反射相位带隙。网格型EBG的同向反射相位带隙为58.7～61.7GHz，普通EBG结构的同向反射相位带隙为58.0～62.1GHz.

图3(a)是未加载网格型UC-EBG结构的视觉透明天线的物理图，其中介质基板采用Corning7980，相对介电常数3.8，厚度0.2mm。图3(b)是加载网格型EBG结构的宽带高增益视觉透明天线物理图，网格型UC-EBG结构与天线辐射结构的距离为g₁＝0.76mm,g₂＝0.32mm。

图4是加载网格型EBG的透明天线与不加EBG的透明天线增益性能对比。从图中可以看出，普通的网格视觉透明天线的60GHz增益为-5.44dBi；基于网格型UC-EBG结构的视觉透明天线在60GHz的增益为5.79dBi。两者相比，加载了网格型EBG的天线增益比未加载的网格天线增益高了11.23dBi。并且，在毫米波免费频段内，天线增益曲线变得更加平坦。

图5是加载网格型EBG的透明天线与不加EBG的透明天线回波损耗性能对比。工程中，天线的工作带宽一般是小于-10dB的频率范围。从图中可以看出，普通网格视觉透明天线的工作带宽为51.2～69.4GHz；而对于网格型UC-EBG结构的视觉透明天线，工作带宽为46～72.5GHz，相对带宽44.7％。两者相比，应用了网格型UC-EBG结构的透明天线的工作带宽比普通的网格透明天线工作带宽要大8.3GHz。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式以进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步：

第一，选定一款普通的毫米波网格视觉透明天线。根据当前宽带、高增益、专业化的研究趋势，思考怎样能提升天线的增益和带宽性能。天线的结构如图3(a)所示。选用相对介电常数3.8、0.2mm厚的Corning7980透明板材作为介质基板。

第二，设计透明度高、能提升既定天线性能的EBG结构。设计的EBG结构应满足如下要求：EBG结构为网格状；网格型EBG结构的同向反射相位特性应该和天线的中心频率相对应，性能不能和普通的EBG结构差距过大；网格型EBG结构要符合毫米波频段的常用尺寸，并且不能对天线整体尺寸有影响。所以最终设计的网格型EBG谐振频率为60GHz，同向反射相位带隙为58.7～61.7GHz。优化设计后天线具体参数如下：l＝1.6mm,a＝1.2mm,m＝0.48mm,n＝0.04mm,w＝0.02mm，q₁＝0.2mm，q₂＝0.15mm，g₁＝0.76mm,g₂＝0.32mm。

第三，将所设计的网格型UC-EBG结构加载到视觉透明天线上，即最终设计出一款60GHz毫米波宽带高增益视觉透明天线，结构如图3(b)所示。设计过程中，通过对天线加载的EBG结构的数量、加载的相对位置和线条的宽度和距离进行调整，来实现宽带高增益的性能。本发明中的网格型UC-EBG和天线之间的距离为g₁＝0.76mm,g₂＝0.32mm，这个距离避免了EBG和天线距离过小造成的回波损耗恶化的问题，以及EBG和天线距离过大造成的同向反射相位特性恶化的问题。天线和网格型EBG结构之间的互耦足够小，不会对天线回波损耗的性能造成太大的影响；同时能在保持天线尺寸、剖面不变的情况下充分发挥EBG的同向反射相位特性。EBG等效成的LC电路有自己的谐振点，与天线谐振点互耦可以展宽天线频带。如图4所示，加载了网格型EBG的天线增益比未加载的网格天线增益高了11.23dBi，所设计的新型EBG极大提高了天线的增益性能。如图5所示，加载了网格型EBG的天线带宽比未加载的网格天线带宽增加了8.3GHz，所设计的新型EBG页极大提高了天线的带宽性能。

Claims (4)

1.提出一种基于网格型电磁带隙(ElectromagneticBand-gap,UC-EBG)结构的60GHz视觉透明天线，包括辐射主体、馈电主体、网格型电磁帯隙结构、接地面、介质基底，其中，该视觉透明天线以相对介电常数εr＝3.8，厚度h＝0.2mm的康宁7980透明板材为介质基底，整体尺寸为9×7×0.2mm³，其特征在于：在天线辐射主体周围加载了一圈网格型UC-EBG结构。

2.如权利要求1所述的网格型EBG结构，特点主要是：所加载的新型EBG结构是一种网格状结构，为作者所特有；线条宽度及间距对其带隙特性均有影响，有其特定的取值。

3.如权利要求1所述的将网格型EBG结构加载在透明天线周围，其特征在于：可以在不对其透明性造成严重影响的情况下极大提高天线增益和带宽。

4.如权利要求1所述的用网格型EBG结构代替普通的UC-EBG结构加载到透明天线上，其特征在于：可以实现和普通EBG相同的抑制表面波和同向反射的功能，为以后的EBG设计拓宽了设计思路。